近年来,低温电子学的应用已经受到越来越多的关注,特别在军事,医学。科学研究等领域都得到了广泛的应用。作为低温环境应用典型之一的红外焦平面阵列就要求整个系统能够在77K液氮温度下工作。在此温度下MOS器件特性显著改善,然而低温集成电路设计仍处于起步阶段。作为读出芯片重要组成部分的运算放大器,它在低温下的性能好坏直接决定了整个芯片的质量,需要进行专门的研究设计。本文以红外焦平面芯片为背景,研究并设计了77K下各类MOS器件放大器。 本研究首先对77K低温下MOS管的特性进行了研究。然后,在低温下对各类放大器进行仿真,与常温下的仿真特性进行比较,在此基础上针对低温环境下电路特性的不足提出了改进的方法,使放大器在低温下也具有良好的特性。最后,根据芯片对运算放大器提出的要求,选择合适的放大器结构,通过仿真,设计出满足芯片要求的运算放大器。经过流片、测试验证了芯片在常温和77K液氮温度下都能正常工作,从而说明所设计的运算放大器满足设计要求,在常温和77K低温下都具有良好的性能。通过电路仿真,本文所设计的应用于红外芯片的运算放大器在77K液氮温度下,输入共模电压范围为0～3.63V,功耗为54.3μW,运放直流增益为87.82dB,相位裕度达到了52.41度,增益带宽为15.74MHz,符合设计指标,并在增益,带宽等方面优于常温的工作环境。芯片采用0.5μm、P衬底、N阱、双层多晶、双层金属的CMOS工艺制造,通过流水测试,所设计的芯片能够在常温和低温下正常工作。